离心风机基础与鼓风机噪声物理量解析

作者：王军（139-7298-9387）

关键词：离心风机、鼓风机、噪声、声压级、声功率级、频率、频谱、A计权、降噪

引言

在工业通风、物料输送、废水处理、冶炼化工等众多领域，离心风机作为核心的气体输送设备，发挥着不可或缺的作用。其性能的优劣直接关系到整个系统的能效、稳定性和运行成本。然而，在追求高风压、大风量的同时，风机运行时产生的强烈噪声也成为一个不可忽视的问题。它不仅污染环境，影响人员健康与舒适度，过高的噪声有时也是设备潜在故障或性能劣化的征兆。因此，对于风机技术从业者而言，深入理解离心风机的基础工作原理，并精准掌握其噪声的主要物理量，是进行风机优化选型、高效安装、故障诊断以及有效降噪的基石。本文将系统性地介绍离心风机的基础知识，并重点对其噪声的物理量进行详细的解析。

第一部分：离心风机基础知识

一、 工作原理与基本结构

离心风机，顾名思义，其工作原理依赖于“离心力”。当风机叶轮被电机驱动高速旋转时，叶片间的气体在叶片的推动下做高速运动，同时在离心力的作用下，气体被甩向叶轮的外缘，从而在叶轮中心处形成真空或低压区。此时，外界的新鲜气体在大气压的作用下，被压入风机进风口，填补这个低压区。被甩出的气体则汇集在蜗壳形的机壳中，由于蜗壳的流通截面逐渐扩大，气体的部分动能被转化为静压能，最后以较高的压力从出风口排出。

这一“吸气-加速-增压-排气”的连续过程，构成了离心风机的基本工作循环。其主要结构包括：

叶轮： 风机的“心脏”，其结构形式（前向、后向、径向）、直径、叶片数量和型线直接决定了风机的压力、流量和效率特性。 机壳（蜗壳）： 收集从叶轮中流出的气体，并将气体的动能有效地转化为静压能。其型线的设计至关重要。 进风口： 通常为收敛型，作用是使气体能均匀、平稳地流入叶轮，减少流动损失。 主轴与轴承： 支撑叶轮旋转，传递扭矩。 驱动装置： 通常是电机，为风机提供动力。

二、 核心性能参数

风量（Q）： 单位时间内风机输送的气体体积，单位为立方米每秒（m³/s）或立方米每小时（m³/h）。它是衡量风机输送能力的关键指标。 风压（P）： 风机进出口全压的差值，单位为帕斯卡（Pa）。它代表了风机克服管道系统阻力的能力。全压（Pt）由静压（Ps，用于克服阻力）和动压（Pv，气体流动所具有的能量）组成，即：全压 等于 静压 加上 动压。 功率（N）：
有效功率（Ne）： 单位时间内气体从风机获得的实际能量。计算公式为：有效功率 等于 风量 乘以 全压。 轴功率（Nz）： 单位时间内由电机输入到风机主轴上的功率。由于存在各种损失，轴功率总是大于有效功率。
效率（η）： 风机的气动效率，是有效功率与轴功率的比值，即：效率 等于 （有效功率 除以 轴功率） 乘以 百分之百。效率是评价风机性能优劣和经济性的重要指标。 转速（n）： 风机叶轮每分钟旋转的圈数，单位为转每分钟（r/min）。风机的性能参数（风量、风压、功率）都与转速存在特定的比例关系（相似定律）。

第二部分：鼓风机噪声的主要物理量解析

风机噪声是空气动力性噪声，其产生机理复杂，主要包括旋转噪声（离散频率噪声）和涡流噪声（宽频带噪声）。要科学地描述、测量和评估这些噪声，就必须依赖一系列精确的物理量。

一、 声压与声压级

1. 声压（p）
声波在空气中传播时，会引起空气质点疏密的变化，从而导致大气压强在静态大气压附近波动。这个波动的压强部分就称为声压，单位是帕斯卡（Pa）。人耳能听到的最微弱声音的声压约为20微帕（20 μPa），称为听阈；而使人耳产生疼痛感的声压约为20帕（Pa），称为痛阈。从听阈到痛阈，声压的绝对值相差高达100万倍，用线性标度来表述极为不便。

2. 声压级（Lp）
为了压缩这个巨大的量程范围，更符合人耳的感知特性，国际上采用“级”的概念，即用对数标度—分贝（dB）来度量声音的强弱。声压级定义为待测声压p与基准声压p₀（取听阈20 μPa）的比值取常用对数再乘以20。其数学表达式为：
声压级 Lp 等于 二十 乘以 以十为底的常用对数 乘以 （声压p 除以 基准声压p₀）

使用分贝值后，将百万倍的声压变化范围压缩到了0到120分贝之间，极大地便利了表述和计算。
声压级是一个场量，它的大小与测量点到声源的距离以及所处的声学环境（如现场是否存在反射、吸收等）密切相关。因此，在标注风机噪声时，必须同时注明测量距离，如“在距离风机进风口1米处测得噪声为85 dB”。

二、 声功率与声功率级

1. 声功率（W）
声功率是指声源在单位时间内向外辐射的总声能量，单位是瓦特（W）。它是一个表征声源本身发声能力的物理量，与测量距离和环境无关，是风机作为一个噪声源的固有特性。风机声功率的范围很广，从毫瓦级到瓦特级不等。

2. 声功率级（Lw）
与声压级类似，声功率也采用分贝标度。声功率级定义为待测声功率W与基准声功率W₀（取10⁻¹² W）的比值取常用对数再乘以10。其数学表达式为：
声功率级 Lw 等于 十 乘以 以十为底的常用对数 乘以 （声功率W 除以 基准声功率W₀）

3. 声压级与声功率级的关系
声功率级是根源，声压级是表现。在自由声场（无反射的理想环境）中，对于一个向四周均匀辐射的点声源，其声压级和声功率级存在确定的换算关系：
声功率级 Lw 约等于 声压级 Lp 加上十 乘以 以十为底的常用对数 乘以 （测量球表面积 四乘以圆周率π 乘以 测量距离r的平方） 再减去 十一
这个公式表明，距离每增加一倍，声压级大约下降6 dB。
对于风机行业，声功率级是评价和比较不同风机噪声水平的唯一科学、公正的指标。产品样本上标注的噪声值通常都是声功率级。

三、 频率与频谱

1. 频率（f）
声音的高低（音调）由频率决定，单位是赫兹（Hz），即每秒振动的次数。人耳能听到的频率范围大约是20 Hz到20,000 Hz。风机噪声不是单一频率的纯音，而是由无数不同频率、不同强度的声音成分组成的复合音。

2. 频谱
为了分析噪声中各种频率成分的分布情况，我们需要使用频谱分析仪将噪声分解成不同频率下的声压级（或声功率级），这个图形就称为频谱图。横坐标是频率，纵坐标是声压级。
风机噪声频谱通常由两部分组成：

离散频率噪声（ tonal noise）： 在频谱图上表现为突出的尖峰。主要由叶轮旋转及其与静止部件的相互作用（如叶片通过频率及其谐频）引起。叶片通过频率（BPF） 的计算公式为：
叶片通过频率 等于 （风机转速n 除以 六十） 乘以 叶片数量Z
这是离心风机最主要的离散噪声成分。 宽频带噪声（ broadband noise）： 在频谱图上表现为连续分布的丘陵状。主要由气流本身的湍流、分离、涡旋以及撞击固体表面产生。

频谱分析是噪声治理中最关键的一步。它帮助我们识别噪声的主要贡献频段：是低频的旋转噪声，还是中高频的涡流噪声？只有“对症下药”，才能制定出最有效的降噪方案。例如，针对突出的离散频率噪声，可能需要调整叶片数或转速来改变其频率以避免共振；而针对宽频带噪声，则需通过优化气动设计来减小涡流。

四、 计权声级

人耳对不同频率声音的灵敏度是不同的，对1000 Hz到6000 Hz的中高频最为敏感，对低频声音则较不敏感。为了用单一数值近似地评价噪声对人耳主观感受的影响，人们在声级计中模拟人耳的频率响应特性，设置了“计权网络”。最常用的是A计权网络，其测得的声级称为A计权声级，简称“A声级”，单位记为dB(A)。

A计权网络对低频声音有较大的衰减。因此，A声级数值的大小更接近人耳对噪声响度的感觉。在绝大多数环保、劳保和产品标准中，都采用A计权声功率级（LwA）或A计权声压级（LpA）来作为噪声的评价量。在阅读风机样本和进行噪声评估时，务必注意其指标是否是A计权值。

除了A计权，还有B、C、D等计权方式，但在风机领域应用较少。

第三部分：噪声控制的基本途径

基于对上述物理量的理解，风机噪声控制主要从三方面入手：

声源控制（最根本、最经济）：
气动设计优化： 采用高效后向叶片叶轮；优化叶片型线和入口角度；保证叶轮与进风口间适当的间隙；优化蜗壳设计，减少流动分离和涡旋。这是降低声功率级根源的办法。 结构设计优化： 提高转子动平衡精度；选用高精度轴承；加强机壳刚度，避免共振。
传播路径控制：
隔声： 在风机机壳外加装隔声罩，阻挡噪声向外辐射。隔声效果用传声损失（TL） 评价，其值越大越好。 消声： 在进、出风口管道上安装消声器，允许气流通过的同时，有效地衰减噪声。消声器性能用插入损失（IL） 或动态插入损失（DIL） 评价。 吸声： 在机房内壁铺设吸声材料，减少室内混响，降低整体声压级。
接收点保护：
为操作人员佩戴护耳器（耳塞、耳罩），这是最后一道防线。

结论

离心风机的噪声是一个涉及空气动力学、机械动力学和声学的复杂问题。对其深入理解和有效控制，必须建立在对其基础物理量的精确掌握之上。声压级是现场最直接的测量值，但受环境影响大；声功率级是评价风机本身噪声水平的客观标准；频谱分析是揭示噪声本质、寻找降噪关键频段的核心工具；而A计权声级则是连接物理测量与人耳主观感受的桥梁。

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